Лекція 2. природа і людина: системний підхід. - Екологія - Навчання - Каталог статей

Еволюція біосфери тривала понад 3 млрд років і відбувалася під впливом алогенних (зовнішніх) сил, таких, як геологічні і кліматичні зміни, й автогенних (внутрішніх) процесів, зумовлених активністю живих компонентів екосистеми.

Перші екосистеми, які існували на початкових етапах розвитку біосфери, були населені надзвичайно дрібними анаеробними гетеротрофами, які живилися органічною речовиною, синтезованою в ході абіотичних процесів. Потім відбувся, за образним висловом Ю.Одума, "популяційний вибух" автотрофних водоростей, який перетворив атмосферу із відновлювальної в кисневу.

Протягом тривалого геологічного часу організми еволюціонували і створили системи більш складні та різноманітні, здатні контролювати атмосферу. Вони постійно поповнювалися крупними і високоорганізованими видами багатоклітинних організмів. Вважають, що в межах цього компонента угруповання еволюційні зміни головним чином відбувались шляхом природного відбору, діючого на видовому і нижчому рівнях. "Можливо, – зауважує Ю.Одум, – що природний відбір на вищих рівнях теж відіграє важливу роль, особливо спряжена еволюція, тобто взаємний відбір залежних один від одного автотрофів і гетеротрофів, і груповий відбір, або відбір на рівні угруповань, який веде до збереження ознак, сприятливих для групи в цілому, навіть якщо вони несприятливі для конкретних носіїв цих ознак".

Еволюція організмів і кисневої атмосфери зробили біосферу Землі надзвичайно унікальним явищем в Сонячній системі. На зорі зародження життя на Землі атмосфера містила азот, аміак, водень, вуглекислий газ, метан і водяну пару. Крім названих речовин, до її складу входили ще хлор, сірководень та інші отруйні для багатьох сучасних організмів гази. Склад атмосфери в ті часи значною мірою визначався присутністю вулканічних газів. Як бачимо, вільного кисню в атмосфері ще не було.

Через відсутність кисню не існувало й озонового шару, здатного екранувати згубну дію ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке вільно досягало поверхні суші і води. Парадоксально, але факт: це згубне випромінювання і породило хімічну еволюцію, яка зумовила утворення складних органічних молекул, таких, як амінокислоти, з яких виникли примітивні живі системи.

Водночас абіотичні процеси, такі, як розклад водяної пари під дією ультрафіолету, давали достатню кількість озону, щоб утворити деякий захист від цього вбивчого випромінювання. Зрозуміло, що доти, доки атмосферного кисню і озону в довколоземному просторі було мало, життя могло розвиватися лише під захистом шару води.

Першими живими організмами були дріжджоподібні анаероби, які одержували енергію, необхідну для дихання шляхом бродіння. В зв'язку з тим що бродіння значно нижче за своєю ефективністю від аеробного дихання зі споживання кисню, примітивне життя не могло розвинутися дальше одноклітинних організмів. Мікроби, які існували під захистом товщі води, живилися органічними речовинами, що синтезувалися під впливом радіації у верхніх шарах і випадали на дно. Так протягом мільйонів років життя на Землі існувало у вкрай обмежених умовах розвитку, піддавалося численним небезпекам.

Обмеженість органічного корму створювала напругу відбору, яка й підштовхувала до виникнення фотосинтезу. Поступове збільшення у воді кисню за рахунок життєдіяльності організмів і його дифузія в атмосферу зумовили колосальні зміни в хімії Землі і зробили можливим швидке поширення життя і розвиток більш крупних і складних живих систем.

Численні мінерали, такі, як залізо, випали із води в осад і утворили характерні геологічні формації. В міру збільшення вмісту кисню в атмосфері шар озону у верхній частині атмосфери стає потужнішим, створюючи захист від потужного потоку ультрафіолетового випромінювання Сонця, що дало змогу життю "вийти" з моря на сушу. Одночасно розвиток аеробного дихання зробив можливою еволюцію складних багатоклітинних організмів. Вважають, що вони з'явилися після того, як вміст кисню в атмосфері досяг приблизно 8% його сучасного рівня. Це сталося майже 700 млн років тому, приблизно на початку кембрію.

Термін "докембрій" використовують для позначення того величезного періоду розвитку Землі, коли існували лише дрібні і примітивні "одноклітинні" форми життя. В кембрії відбувся еволюційний вибух нових форм життя, таких як губки, корали, черв'яки, молюски, морські макрофіти та предки насіннєвих рослин і хребетних. Завдяки здатності найдрібніших зелених рослин моря продукувати таку велику кількість кисню, яка перевищувала потреби в ньому усіх організмів, стало можливим заселення живими організмами за порівняно короткий час усієї Землі.

У наступний період палеозойської ери життя заповнило не лише усі моря, але й вийшло на сушу. Розвиток зеленої рослинності забезпечив велику кількість кисню і поживних речовин, які були необхідні для подальшої еволюції крупних тварин, таких, як динозаври, ссавці, нарешті, людина. Водночас до океанічного фітопланктону, який раніше складався із форм, в яких клітинні оболонки були утворені органічними речовинами, додаються нові форми з вапняковими, а згодом і кремнієвими панцирями.

Вважають, що коли приблизно в середині палеозою споживання кисню нарешті досягло кількості його утворення, вміст цього елемента в атмосфері був близьким до сучасного, близько 21%. З екологічної точки зору еволюцію біосфери можна порівняти з гетеротрофною сукцесією, за якою слідував автотрофний режим. Таку сукцесію можна створити в лабораторному мікрокосмосі, почавши із збагачення органічною речовиною культурального середовища. Із середини девона спостерігалися як підйом, так і падіння вмісту кисню.

Наприкінці палеозою відбулося помітне (може до 5% сучасного рівня) падіння вмісту кисню і підвищення вмісту СО2, яке супроводжувалося зміною клімату і послужило, як стверджують вчені, поштовхом до повсюдного "автотрофного цвітіння". Воно й стало базою для створення колосальних запасів корисних копалин (кам'яного вугілля, нафти), на яких і виникла сучасна промислова цивілізація.

Згодом в атмосфері знову зменшилася кількість СО2, після чого це співвідношення стабілізувалося. Цей стан можна назвати "коливальним стаціонарним станом". Однак слід зауважити, що створений людиною надлишок СО2 і пилу може зробити цю нестійку стабільність ще нестабільнішою.

У процесі еволюції відбувалися зміни популяцій і біоценозів. Видовий склад угруповань змінювався тоді, коли виникали нові види, мінялася рясність або генетичний склад тих видів, які вижили. Вчені доходять висновку, що таксономічний склад біосфери ще не стабілізувався, а підтвердження цьому й дають спряжена еволюція і груповий відбір.

Спряжена еволюція – це тип еволюції угруповання, який характеризує взаємна селективна взаємодія великих груп організмів, які перебувають у тісному екологічному взаємозв'язку, такому, як рослини і рослиноїдні крупні організми і їх мікроскопічні симбіонти або паразити та їх господарі.

Явище спряженої еволюції пояснюють адаптаціями, які відбуваються впродовж тривалого часу і проявляються у взаємному селективному впливі рослин і фітофагів. Приклад такої еволюції – співжиття мексиканської акації і мурашок, які селяться на її шпичках. Якщо усунути мурашок, то комахи-фітофаги (яких звичайно поїдають мурашки) знищать усе листя акації, без якого дерева гинуть.

Спряженою еволюцією може бути охоплений не один, а декілька ланцюгів кормової мережі. Відомо, що метелик-монарх є зовсім неїстивним для хребетних хижаків. Виявляється, що він живиться молочним соком деревних рослин, який є отруйним (високотоксичний глюкозид) для хребетних хижаків. Взаємний відбір зумовлює еволюцію в напрямі різноманітності, взаємозалежності і гомеостазу. Груповий відбір – це природний відбір в групах організмів, не обов'язково пов'язаний мутуалістичними зв'язками. При цьому відборі відмирає ціла популяція, а не лише окремий генотип. Слід зазначити, що механізм групового відбору ще слабо вивчений.

У процесі спряженого і групового відборів відбувається еволюція і становлення сучасних біогеоценозів (водних і наземних). Біогеоценози земної кулі утворюють біогеоценотичний шар, вивченням якого і займається біогеоценологія – розділ екології, розглянутий нами в попередньому розділі.

Сукупність усіх біогеоценозів (екосистем) нашої планети утворює велетенську глобальну екосистему, названу біосферою. Науку, яка вивчає структуру і динаміку біосфери, глобальні енергетичні і геохімічні потоки, називають біосферологією, або глобальною екологією.

2. Будова біосфери.

Важливою особливістю біосфери є її злитість з іншими геосферами Землі. Біосфера розміщена в межах атмосфери, гідросфери та частини літосфери. Загальна протяжність біосфери за радіусом Землі складає близько 40 км. Вона простягається від нижньої частини озонового екрана атмосфери, що розташований на висоті 20—25 км над рівнем моря, до верхньої частини гірських порід суші та дна Світового океану. Нижня межа простягання біосфери лежить на 23 км вглиб суші та на 1—2 км нижче дна океану

Основна маса живої речовини, наявність якої відрізняє біосферу від інших геосфер, зосереджена в порівняно невеликому прошарку — біостромі. Біостром лежить на поверхні суходолу та охоплює верхні шари водойм. У цій зоні знаходиться 98% всієї живої речовини планети.

Рис 1 Біосфера та її межі.

У структурному плані основними складовими компонентами біосфери Землі є живі організми і середовище їхнього існування - атмосфера, гідросфера і літосфера

В біосфері виділяють шість типів речовини:

1) жива речовина – сукупність усіх існуючих на Землі рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів;

2) біогенна речовина – продукт життєдіяльності організмів (торф, крейда, горючі сланці);

3) нежива речовина – в утворенні якої організми не брали участі (гірські породи абіогенного походження, вода);

4) біокосна речовина – продукт взаємодії живої речовини і неживої матерії (ґрунт);

5) радіоактивна речовина;

6) космічна речовина.

3. Осн.положення вчення В.І. Вернадського про біосферу.

Вперше термін біосфера використав австрійський вчений - геолог Е. Зюсс у 1875 р. Термін біосфера походить від двох слів: біо - життя і сфера - сфера. Таким чином, біосфера - сфера життя або область існування живих організмів на Землі.

Існує декілька визначень біосфери. Більшість сучасних екологів (Ю.Одум, В. Д. Федоров, Т. Г. Гільманов, М. Ф. Реймерс, К. М.Ситник) розуміють біосферу як об'єднання усіх живих організмів, що знаходяться у взаємозв'язку з фізичним середовищем Землі. З цього погляду біосфера становить собою сукупність екосистем нашої планети.

Основоположниками вчення про біосферу є В. І. Вернадський та Тейяр де Шарден. Вони обґрунтували високу хімічну та геологічну активність живої речовини біосфери, підкреслюючи, що розвиток життя на планеті забезпечується особливими фізичними властивостями біосфери. Слід звернути увагу на ствердження В. І. Вернадського про те, що біосфера - планетарне явище космічного характеру. Виходячи з уявлення про біосферу, як про земний, але одночасно й космічний механізм, В. І. Вернадський пов'язував її утворення та еволюцію з організованістю Космосу. "Для нас є зрозумілим,- писав він,- що життя є явище космічне, а не суто земне". Цю думку В. І. Вернадський повторював багаторазово: "Початку життя в тому Космосі, який ми спостерігаємо, не було, оскільки не було початку цього Космосу. Життя вічне, оскільки вічний Космос". В. І. Вернадським було розроблено уявлення про біосферу як глобальну єдину систему Землі, де основний хід геохімічних перетворень визначається життям. Біосферою В. І. Вернадський назвав ту область нашої планети, в якій існує або будь-коли існувало життя і котра постійно піддається, або піддавалася впливу живих організмів. В. І. Вернадський довів, що живі організми грають дуже важливу роль у формуванні образу Землі. Хімічний склад атмосфери,гідросфери і літосфери зумовлений життєдіяльністю організмів.

"Якби на Землі не було живих організмів, писав В. І. Вернадський, - її образ був би таким же незмінним і хімічно інертним, як незмінний образ Місяця".

Мінеральні інертні речовини переробляються живими організмами й одержують нові якості. В. І. Вернадський першим вказав на існування біокосних тіл, які є продуктом взаємодії неживої та живої матерії. Живі організми, володіючи величезною спроможністю пристосовуватися до умов існування, самі активно їх змінюють. Таким чином, жива і нежива матерія на Землі складають єдине ціле, що власне і зветься біосферою.

З погляду системного підходу біосфера являє собою глобальну Екосистему Землі.Властивості біосфери:

біосфера – відкрита система її існування неможливе без надходження енергії ззовні. На неї впливають космічні сили, перш за все сонячна активність;

біосфера – саморегулююча система, для якої характерна організованість. Цю властивість на сучасному етапі називають гомеостазом, маючи на увазі здатність повертатися у вихідний стан, гасити виникаючі збурення, включенням ряду механізмів. Біосфера за свою історію пережила ряд таких збурень і переборола їх (виверження вулканів, зустрічі з астероїдами, землетруси). Але окремі великі збурення вона вже гасити не в силах. Наслідком цього є або розпад екосистеми, або поява нестійких штучно створених систем;

біосфера – система, яка характеризується великим різноманіттям. В наш час описано

2 млн. видів (1,5 млн. видів тварин і 0,5 млн. видів рослин). Для біосфери різноманітність видів – одна з найважливіших властивостей. Різноманітність – головна умова стійкості будь-якої екосистеми та біосфери в цілому. Усі функції живих організмів у біосфері можуть виконуватись тільки завдяки їх величезному різноманіттю;

важлива властивість біосфери – наявність в ній механізмів, які забезпечують колообіг речовин і пов’язану з ним невичерпність окремих хімічних елементів та їх сполук. При відсутності колообігу, за короткий проміжок часу був би вичерпаний основний будівельний матеріал живого – вуглець. Тільки завдяки колообігам та постійному притоку сонячної енергії забезпечується безперервність процесів у біосфері.

4. Ноосфера, роль людства в зміні біосфери.

Вернадський особливо виділяє перетворюючий вплив на Землю однієї з форм життя - людини - через її розумну діяльність і передбачає швидке зростання глибини і масштабів цього впливу. Природні об'єкти, які вже зазнали впливу людської діяльності, він відносить до "ноосфери" тобто до "сфери розуму" і передбачає, що ноосфера буде швидко розширюватись, охоплюючи все більшу частину Землі - від глибоких її надр до найвищих шарів атмосфери. У золотий фонд світової науки увійшла робота В.І. Вернадського "Декілька слів про ноосферу", яка з'явилася у 1944 році. Тут у концентрованому вигляді викладено його бачення еволюційно-історичного процесу, перспектив майбуття людства як космічного феномену. Стверджується, що під впливом розвитку науки і пізнання біосфера має стати ноосферою, тобто цариною розуму, де панують закони мудрості й гармонії.

Він писав: "Людство, взяте в цілому, стає могутньою геологічною силою. Й перед ним, перед його думкою та працею, постає питання про перебудову біосфери в інтересах вільно мислячого людства як єдиного цілого".

В.І. Вернадський вважав, що ноосфера - це такий стан біосфери, в якому мають виявитися розум і спрямована ним праця людини як нова, небувала на планеті, геологічна сила.

Очевидно, що ноосфера в просторі значною мірою перекривається з біосферою, але не тотожна їй. Темпи розвитку ноосфери незрівнянно вищі від темпів змін біосфери.

Але життя на Землі безпосередньо залежить також від низки космічних факторів, найголовнішим (але далеко не єдиним) з яких завжди вважалось випромінювання Сонця. Усвідомлення перетворюючого впливу життя на одне з космічних тіл - планету Земля і безпосередній зв'язок земного життя з космічними факторами дозволили В.І. Вернадському висловити свою всесвітньовідому тезу: життя на Землі - явище космічне. На його думку, зародки життя заносяться з космосу на всі планети, які виникають у Всесвіті, а далі, за сприятливих умов, різні форми життя можуть еволюціонувати, урізноманітнюватись і вдосконалюватись - залежно від конкретних умов даної планети, посилаючи в свою чергу зародки життя у космос на усі інші планети Всесвіту.

Зародки теорії біосфери і усвідомлення взаємозв'язку багатьох процесів у зовнішніх оболонках Землі були вже в роботах попередників. Але таку цілісну й завершену систему уявлень про "космізм життя" В.І. Вернадський сформулював у своїх творах вперше в історії людства.

Думка про роль людства, яке перетворює біосферу на базі наукових знань на благо кожної людини, не залишала В.І. Вернадського весь останній період його життя.

Ноосфера (від грецьк. "нооз" — розум) — це сфера взаємодії суспільства й природи, у межах якої розумна діяльність є головним, визначальним чинником розвитку. У понятті ноосфери підкреслюється необхідність доцільної взаємодії людства та природи. На думку В.І. Вернадського, ставлення суспільства до природи зумовлене не тільки науково-технічними досягненнями, а й соціальними чинниками.

Поняття "ноосфера" вперше вжив у 20-ті роки XX ст. французький палеонтолог і філософ Тейяр де Шарден. У його розумінні ноосфера — ідеальна, духовна ("мисляча") оболонка Землі, що виникла з появою і розвитком людської свідомості. В.І. Вернадський вважав, що головна сила перетворення біосфери в ноосферу в інтересах людства — це поєднання розуму з ідеалами демократії. Вихід з екологічної кризи може бути тільки у використанні розуму людства (у вигляді суми знань і технологічних розробок) не лише для експлуатації природних ресурсів, а й для їхнього збереження і примноження.

На жаль, наявна екологічна ситуація не може бути змінена природними системами регуляції, що еволюційно сформувалися на різних рівнях організації живої матерії. Вирішення проблеми передбачає активне регулююче втручання людини в біосферні процеси, аж до спрямованого контролю чисельності та біологічної активності економічно значущих видів і формування штучних екосистем із заданими властивостями. В основі вирішення цього завдання повинні бути глибокі знання природних законів формування й функціонування біологічних систем різного ранґу.

Тільки на базі пізнання фундаментальних екологічних закономірностей, з використанням сучасних наукових і технічних досягнень, вдасться сконструювати систему гармонійної взаємодії людства і живої природи. В.І. Вернадський, як вче-ний-матеріаліст, визначив місце людини у біосфері трьома положеннями:

Людина, як вона спостерігається в природі, як і всі живі організми, як і вся жива речовина, є певною функцією біосфери, в певному її просторі — часі.

Людина у всіх ЇЇ проявах становить певну закономірну частину будови біосфери.

"Вибух" наукової думки в XX ст. підготовлений усім минулим біосфери і має глибинні корені. Цивілізація "культурного людства", — оскільки воно є формою організації нової геологічної сили, створеної у біосфері, — не може перериватися і знищитися, оскільки це велике природне явище, яке відповідає історично, точніше — геологічно, встановленій організованості біосфери.

Ці ідеї покладені в основу закону ноосфери В.І. Вернадського: "Біосфера неминуче перетвориться в ноосферу, тобто сферу, де людський розум відіграватиме домінуючу роль в розвитку системи "людина — природа".

Розглядаючи людину і біосферу як єдине органічне ціле, В.І. Вернадський пов'язував злети в історії цивілізації з народженням біосферою можливостей, здатних робити прориви в її території: через століття повторюються періоди, коли згромаджуються в одному або небагатьох поколіннях, в одній або багатьох країнах багато обдарованих особистостей, розуми яких створюють силу, що змінює біосферу. Розквіт стародавніх цивілізацій Китаю та Індії, Еллади та Риму, італійське Відродження, промислова революція середини XIX і науково-технічна революція середини XX ст. є підтвердженням думок вченого.

Цілковите домінування людини над природою неможливе; воно не було б ні міцним, ні стабільним, оскільки людина — дуже залежний хижак, який займає надто "високе" місце у кормовому ланцюгу. Було б куди краще, якби людина усвідомила, що існує певна екологічна залежність, в умовах якої вона має сприймати світ із багатьма іншими організмами, замість того, щоб дивитися на кожний квадратний сантиметр як на можливе джерело їжі і благополуччя або як на місце, де можна спорудити щось штучне (Ю. Одум). Якщо поведінка людини насправді "розумна", то природно, що людина має:

вивчити і зрозуміти форму власного популяційного росту;

визначити кількісно оптимальні розміри і конфігурації населення в зв'язку з ємністю даної галузі, що дає змогу їй бути готовою до прийняття "культурноїреґуляції" там, де природна регуляція не діє.

Теоретична думка, як бачимо, націлена не на руйнування, а на збереження середовища життя людини, котра, як розумна істота, навряд чи погодиться піти на самознищення.